система для снабжения электродвигательных потребителей электрической энергии

Формула изобретения

1. Система для получения электрической энергии для снабжения преимущественно электродвигательных потребителей (М), например, на судне, с параллельно работающими электроагрегатами (1-4, G, 21), преимущественно в виде источников (1) кинетической энергии, в частности в виде дизельных двигателей, и связанными с ними генераторами (G) переменного тока, или в виде топливных элементов, с выхода которых снимают напряжение постоянного тока, которым после производимого в случае необходимости преобразования параллельно запитывают сеть (13) электроснабжения потребителей, при этом к токовому выходу (5) каждого электроагрегата (1-4, G, 21) подключен управляемый выпрямитель или регулятор (6) напряжения постоянного тока, который содержит управляющий вход (7) для подключения регулятора (8) напряжения и выход которого связан с входом регулятора (8) напряжения для подвода сигнала действительного значения напряжения (Uist) и соединен с сетью (13) для ее питания, отличающаяся тем, что управляемый выпрямитель или регулятор (6) напряжения постоянного тока связан с дополнительным сигналом (Uz), который генерируют таким образом, что напряжение питания уменьшается с ростом тока питания и/или с ростом мощности, отдаваемой сети.

2. Система по п.1, отличающаяся тем, что генераторы (G) переменного напряжения выполнены с возбуждением постоянным магнитом.

3. Система по п.1 или 2, отличающаяся тем, что источник (1) кинетической энергии выполнен с возможностью регулирования его скорости или числа оборотов, при этом регулирование производится регулятором (3) с пропорционально-интегральной характеристикой.

4. Сеть (13) электроснабжения для одного или множества потребителей (М) энергии, вырабатываемой преимущественно для электродвигателей, например, на судне, содержащая один или множество параллельно работающих электроагрегатов, причем потребители (М) соединены с сетью (13) через инвертор (15), в частности, по любому из предшествующих пп.1-3, отличающаяся тем, что содержит регулятор (17) частоты выходного напряжения инвертора (15), выполненный с возможностью регулирования частоты выходного напряжения инвертора (15) через его управляющий вход (16), причем ко входу регулятора (17) частоты выходного напряжения инвертора (15) наряду с сигналом с действительным значением (fist) частоты выходного напряжения инвертора (15) и сигналом с заданным значением (fsoll) частоты для стабилизации сети (13) подводят отведенный от входного напряжения сети (13) дополнительный сигнал частоты и/или числа оборотов (fzl), который генерируют таким образом, что частота выходного напряжения инвертора и/или напряжения потребителя уменьшается с уменьшением напряжения сети и/или входного напряжения инвертора.

5. Сеть по п.3, отличающаяся тем, что регулятор (17) частоты имеет пропорционально-интегральную передаточную характеристику.

6. Сеть по п.3 или 4, отличающаяся тем, что дополнительно содержит частотное статическое звено (18) и/или трансформатор напряжения с пропорциональной передаточной характеристикой, вход которого связан с входным напряжением инвертора и/или напряжения сети (13), а выход, на котором получают дополнительный сигнал частоты и/или числа оборотов (fzl), подключен ко входу регулятора (17) частоты.

7. Контур регулирования для, по меньшей мере, двух электрически и/или механически связанных друг с другом потребителей (М), запитываемых от одной или множества электросетей (13), причем потребители (М) соединены с питающей сетью (13) соответственно через инвертор (15), в частности, по одному из предыдущих пп.1-6, отличающийся тем, что содержит регулятор (17) частоты выходного напряжения инвертора (15), выполненный с возможностью регулирования частоты выходного напряжения инвертора (15) через его управляющий вход (16), причем ко входу регулятора (17) частоты наряду с сигналом с действительным значением (fist) частоты выходного напряжения инвертора (15) и сигналом с заданным значением (fsoll) частоты для искомого, в частности, симметричного распределения нагрузки связанных друг с другом потребителей (М) подводят проходящий из сети (13) в инвертор (15) входной ток (I) или дополнительный сигнал частоты и/или числа оборотов (fz2), который генерируют таким образом, что частота выходного напряжения инвертора (15) и/или напряжения потребителя уменьшается с увеличением входного тока или входной мощности инвертора (15).

8. Контур регулирования по п.7, отличающийся тем, что дополнительно содержит частотный статический модуль (20) и/или трансформатор тока напряжения с пропорциональной передаточной характеристикой, вход которого связан с входным током инвертора, а выход, на котором получают дополнительный сигнал частоты и/или числа оборотов (fz2), подключен ко входу регулятора (17) частоты.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к системе для снабжения электродвигательных потребителей электрической энергией, например, через электрическую бортовую сеть судна или самолета согласно ограничительной части п. 1 формулы изобретения. Согласно особому аспекту изобретения множество источников тока могут эксплуатироваться параллельно, например связанные с генераторами переменного тока дизельные двигатели или газовые турбины (сравни ограничительную часть п. 4 формулы изобретения). Кроме того, предлагаются контуры регулирования для стабилизации сети и для распределения нагрузки связанных друг с другом потребителей (сравни ограничительную часть п. 7 формулы изобретения).

В случае известных автономных электросетей примерно такого вида речь идет о сетях трехфазного тока с синхронными генераторами. Распределение активной мощности происходит через статику частоты-числа оборотов регуляторов числа оборотов дизельных двигателей или турбоприводов. Распределение реактивной мощности происходит через статику напряжения регуляторов напряжения генераторов. Относительно статических устройств, а также распределения нагрузки при параллельной эксплуатации двух генераторов делается ссылка в качестве источника на техническую информационную публикацию AST NMA/TNG3 фирмы Сименс АГ с названием "ТИРИПАРТ-возбуждение в бесщеточных синхронных генераторах Сименс" Иоахим Фрауенхофер; этот источник привлекается тем самым всем своим содержанием или соответственно является предпосылкой для последующих пояснений.

В случае автономных электросетей трехфазного тока известно для распределения нагрузки параллельно работающих генераторов генерировать из выходного тока генератора дополнительное значение напряжения для входа сравнения заданного/действительного значения регулятора напряжения, которое заставляет уменьшаться напряжение генератора пропорционально с ростом реактивного тока. Это, конечно, предполагает, что на напряжение генератора оказывается воздействие извне от отдельной функциональной компоненты. Такие управляемые или регулируемые в своем напряжении генераторы постоянного или трехфазного тока имеют, во всяком случае, в качестве недостатка объемные конструктивные формы, высокий вес и сложное изготовление. Вместе с тем получается значительная потребность в автаркических автономных электросетях производства энергии и электроснабжения, которые отличаются малыми и компактными типоразмерами, а также малым весом, в частности, что касается электрических генераторов.

US-A-5200643 раскрывает (сравни колонку 2, строки 11-23 и колонку 4, строка 52, колонку 5, строка 7 и фиг. 1) сеть электроснабжения с множеством источников питания постоянного тока, которые питают усилители, имеющие управляющие входы, причем сигналы для выходного действительного напряжения и выходного действительного тока комбинируют с опорным сигналом (сравни фиг. 1, позицию 32). За счет этого должен получаться сигнал для отклонения регулируемой величины, причем регулируют выходное напряжение каждого источника.

Уровень техники, соответствующий ограничительной части независимых п. 1, 4 и 7 формулы изобретения, следует из US-A-5334436 (сравни там, в частности, фиг. 1). Во всяком случае при параллельном включении множества источников без регулирующего устройства более высокого уровня не может быть достигнуто в достаточной мере желательное распределение нагрузки, а также не обеспечивается удовлетворительно стабильность сети.

Для устранения недостатков, результирующихся из уровня техники, или соответственно для решения соответствующих проблем согласно изобретению предлагается система получения энергии, охарактеризованная в п. 1 формулы изобретения, сеть электроснабжения, охарактеризованная в п. 4 формулы изобретения, а также контур регулирования, охарактеризованный в п. 7 формулы изобретения.

Дальнейшие предпочтительные формы выполнения следуют из зависимых пунктов формулы изобретения.

Изобретение поэтому предусматривает применять в сетях электроснабжения самолетов или транспортных средств, в частности, судов, вместо сети электроснабжения трехфазного тока сеть электроснабжения напряжения постоянного тока, напряжение которой можно регулировать управляемым выпрямителем или регулятором напряжения постоянного тока. С этим связано, с одной стороны, значительное уменьшение веса. С другой стороны, в этой сети не может транспортироваться и поэтому не представляет проблемы никакая реактивная мощность. Все потребители могут быть подсоединены, при необходимости, через преобразователь электроэнергии к этой сети электроснабжения.

Согласно изобретению отошли от пути регулирования напряжения непосредственно через возбуждение генераторов и вместо этого применяют выпрямитель, в частности, транзисторный выпрямитель в качестве регулирующего звена для выходного напряжения. При этом избегается запитывание реактивной мощности в сеть. Динамическая разгрузка сети может происходить с системой согласно изобретению свободно от реактивной мощности. Используют управляемый выпрямитель с регулированием напряжения, который может производить из переменного тока постоянное выходное напряжение. Распределение активной нагрузки может настраиваться через изменение, в частности параллельный сдвиг, статической характеристики или соответственно статики напряжения для соответствующего выпрямительного прибора.

Изобретением открывается возможность, использовать один или множество соответственно возбуждаемых постоянными магнитами генераторов переменного напряжения с малой маховой массой, после которых подключен управляемый импульсный транзисторный выпрямитель. В частности, если используются синхронные машины с возбуждением постоянным магнитом на роторе, типоразмеры генератора могут быть значительно уменьшены. Генераторы приводятся в действие, например, четырехтактными дизельными двигателями с высоким наддувом. Они могут принимать нагрузку только так быстро, как возрастает объем воздуха наддува, поставляемый турбокомпрессором на отходящем газе.

Согласно дальнейшей форме выполнения изобретения, которая исходит из источников энергии, регулируемых по их скорости или числу оборотов, для этого предлагается регулятор с пропорционально-интегральной характеристикой электроснабжения. Таким образом, можно точно удерживать, например, установленное для дизельного двигателя число оборотов.

Способом для распределения нагрузки, на котором базируется названная, соответствующая изобретению система, устанавливается статика напряжения, которая обуславливает желательное распределение нагрузки таким образом, что из выходного тока генератора получают дополнительное значение напряжения для входа заданного/ действительного значения регулятора напряжения, который заставляет напряжение снижаться пропорционально с возрастающим выходным током выпрямителя. Эта статика напряжения присваивается индивидуально каждому генераторному агрегату, например, из дизельного двигателя, генератора и выпрямителя в зависимости от его эффективной мощности. Устройство более высокого уровня для распределения нагрузки не требуется.

Параллельный сдвиг статической характеристики обуславливает при известных условиях желательное, различное распределение нагрузки. Это является необходимым, чтобы включать генераторы параллельно с тем, чтобы избежать скачкообразного изменения нагрузки на приводной машине, дизельном двигателе или подобном источнике энергии. Таким образом является возможным ручное управление параллельного режима работы двух или нескольких генераторов.

Если соответствующая изобретению система или соответственно автономная электросеть преимущественно нагружается приводами с регулируемым числом оборотов, то толчок нагрузки без уменьшения передается дальше через генераторы на дизельные двигатели как источники кинетической энергии. Дизельный двигатель может принимать этот толчок нагрузки сначала только с кинетической энергией своей маховой массы и маховой массы генератора и затем посредством своего регулятора числа оборотов принимать столько нагрузки, насколько велик избыток воздуха, необходимого для сгорания. Если толчок нагрузки является больше, чем мгновенная способность принимать нагрузку, то число оборотов дизеля и тем самым эффективная мощность дизельного двигателя, как источника энергии, падает. Он глохнет и сеть садится.

В известной автономной электросети трехфазного тока с трехфазными двигателями в качестве нагрузки толчок нагрузки приводит к снижению числа оборотов дизельного двигателя и тем самым частоты. Таким образом достигается уменьшение общей нагрузки автономной электросети в зависимости от нагрузочной характеристики рабочей машины, и сеть принимает меньше мощности и за счет этого стабилизируется.

По сравнению с этим в основе изобретения лежит проблема возможности достижения соответствующего характера стабилизации для систем производства энергии и электроснабжения, в которых в качестве сети электроснабжения расположена шина постоянного напряжения.

Соответствующей изобретению сетью электроснабжения достигается то преимущество, что сеть, даже если она поставляет напряжение постоянного тока, может стабилизироваться с таким же качеством, как и в случае известной трехфазной автономной электросети. А именно, для стабилизации сети из входного напряжения приводов или соответственно потребителей получают дополнительное значение для входа заданного/ действительного значения регулятора числа оборотов соответствующего привода или соответственно потребителя, которое заставляет уменьшаться число оборотов пропорционально или соответственно с падающим напряжением сети.

Для этой цели является выгодным регулятор частоты/числа оборотов, в котором реализована передаточная функция с пропорционально-интегральной характеристикой.

Для отведения названного дополнительного значения сигнала частоты является целесообразным расположение частотного статического звена и/или трансформатора напряжения, который на своем входе соединен с входным напряжением инвертора и/или напряжением сети и на своем выходе с входом регулятора частоты/числа оборотов. В качестве передаточной функции или характеристики для частотного статического звена или соответственно преобразователя частоты является пригодной пропорционально-интегральная характеристика.

В автономных электросетях является желательным, чтобы электродвигательные потребители, которые связаны друг с другом через электрический или механический вал, или чтобы преобразователи электродвигателей, которые включены параллельно на стороне нагрузки, делили между собой нагрузку пропорционально своей номинальной мощности. Для этого в автономных электросетях трехфазного тока известно, чтобы асинхронные электродвигатели с преобразователем автоматически делили общую нагрузку на основе своих характеристик скольжения.

Соответствующим изобретению контуром регулирования в случае автономных электросетей со связанными нагрузками, которые снабжаются от сети напряжения постоянного тока, названное распределение нагрузки может достигаться подобным образом.

Для распределения нагрузки приводов или управляющих последними преобразователей, которые связаны на стороне нагрузки, из входной мощности получают дополнительное значение сигнала частоты, которое заставляет падать частоту или число оборотов с увеличением входного тока или с увеличением входной мощности.

Предпочтительно для отведения дополнительного значения сигнала частоты или числа оборотов статический частотный модуль или соответственно звено и/или трансформатор тока/напряжения расположен так, что они на стороне входа соединены с входным током инвертора и на своих выходах с входом регулятора частоты/числа оборотов. В качестве передаточной характеристики для частотной статики или трансформатора тока/частоты является пригодной пропорционально-интегральная характеристика.

Выше описанные дополнительные значения сигнала служат для стабилизации динамических процессов. Они позволяют параллельную эксплуатацию без регулирования более высокого уровня. Тем самым в связи с электроснабжением постоянного тока может также достигаться режим работы, который известен для обычных автономных сетей с дизельными генераторами и распределением нагрузки через статику числа оборотов дизельных двигателей. Если описанные регулирующие воздействия являются статически нежелательными, за счет медленного выравнивающего регулятора посредством общего дополнительного заданного значения для всех генераторов напряжение автономной сети может быть снова доведено до желательного значения. Это может происходить, коль скоро дизели могут снова предоставлять в распоряжение необходимую для этого мощность. Через дополнительные заданные значения можно оказывать воздействие на отличное от пропорционального распределение нагрузки.

Изобретением открывается новый путь автономной сети напряжения постоянного тока с генераторами переменного тока, управляемыми выпрямителями и приводами переменного тока, которые эксплуатируются через инверторы с регулированием числа оборотов. Тем самым возможны распределение нагрузки и стабилизация сети, как в случае известной автономной электросети трехфазного тока.

Дальнейшие подробности, признаки и воздействия на базе изобретения следуют из формулы изобретения, а также последующего описания предпочтительного примера выполнения изобретения на основе прилагаемой схематической структурной схемы.

Соответствующая изобретению автономная электросеть напряжения постоянного тока содержит первый кинетический источник энергии 1, например, дизельный двигатель, который в широких диапазонах может быть переменным по числу оборотов. Через (схематически намеченный точками) ведомый вал 2 он приводит специально присвоенный ему генератор переменного тока G, который возбуждается предпочтительно постоянным магнитом. Источник энергии 1 по своему числу оборотов регулируют посредством пропорционально-интегрального регулятора 3, который выдает на своем выходе регулируемую или соответственно задающую величину, например, для топливной заправки F дизельного двигателя 1 в качестве источника энергии. На ведомом валу 2 опрашивают действительное значение числа оборотов n_ist и подводят к суммирующему звену 4, в котором действительное значение числа оборотов n_ist сравнивают с заданным значением числа оборотов n_soll. Затем отклонение регулируемой величины подводят к входу пропорционально-интегрального регулятора.

Параллельно к этому электроагрегату предусмотрены один или множество дальнейших генераторных блоков 21. При этом может идти речь, например, о дизельном агрегате той же конструкции, но и также об агрегате с другой мощностью или также о совершенно других генераторных блоках, как, например, топливные элементы. К выходу генераторного блока 21 может подаваться как переменное напряжение, как в случае дизельного агрегата, так и напряжение постоянного тока, как, например, в случае топливного элемента.

Выходные ветви или фазы 5 генераторов G 21 соединены с входами соответствующих выпрямительных приборов или регуляторов напряжения постоянного тока 6. Они содержат соответственно управляющий вход напряжения 7, через который может настраиваться соответствующее выходное напряжение. Это происходит в данном случае через соответствующие регуляторы напряжения 8, которые на своих входах производят сравнение заданного значения напряжения u_soll, с действительным значением напряжения u_ist и дополнительным значением напряжения u_z.

Действительное значение напряжения получают через соединенный с выходом выпрямителя или соответственно регулятора напряжения постоянного тока трансформатор напряжения 9, а дополнительное значение напряжения через статическое звено напряжения 10, вход которого питается от трансформатора тока 11. Последний также соединен непосредственно с выходом выпрямителя. К месту соединения с трансформаторами тока 11 подключены переключательные звенья 12, которые ведут к общей шине постоянного напряжения 13.

К этой шине 13 параллельно подключены через дальнейшие переключательные звенья 14 и включенные после них инверторы 15 электродвигательные потребители М. Выходная частота инверторов 15 может устанавливаться через отдельный управляющий вход частоты 16 от внешней функциональной компоненты, в данном случае регулятора частоты/числа оборотов 17. К его суммирующему звену 4 подводят извне - также как в названном выше регуляторе напряжения 8 или в пропорционально-интегральном регуляторе 3 - заданное значение частоты f_soll. Действительное значение частоты f_ist непосредственно снимают с соединения между выходом инвертора и входом соответствующего электродвигательного потребителя М.

Как можно видеть согласно чертежу из схемного обрамления правого потребителя М, к суммирующему звену 4 соответствующего регулятора частоты 17 подводят дополнительно - в качестве дальнейшего заданного или действительного значения - выход служащего для стабилизации сети частотного статического звена 18 с дополнительным выходным сигналом частоты f_z1. Входной сигнал для служащего для стабилизации сети частотного статического звена 18 получают из трансформатора напряжения 9, вход которого соединен непосредственно с шиной постоянного напряжения 13.

Поскольку электродвигательные потребители М связаны через электрический или механический вал, согласно (схематически представленному) сцепному соединению 19, для распределения нагрузки пользуются также еще другим соответственно расположенным частотным статическим звеном 20. Частотное статическое звено 20 для распределения нагрузки соединено на стороне входа с соответствующим трансформатором тока 11, который из связанной с шиной постоянного напряжения 13 подводящей линии соответствующего инвертора 15 образует входное значение тока для частотного статического звена.

Последнее образует из него согласно примеру выполнения с пропорциональной передаточной характеристикой второй дополнительный выходной сигнал частоты f_z2, который относительно находящихся друг с другом в сцепном соединении 19 потребителей М комбинируют в отдельном суммирующем звене 4а с вышеназванным первым дополнительным выходным сигналом частоты f_z1 из служащего для стабилизации сети частотного статического звена 18. Результат комбинации затем подводят к входу сравнения заданного/действительного значения или соответственно суммирующему звену 4 соответствующего регулятора частоты 17. Он образует отсюда регулирующую величину для отдельного управляющего входа частоты 16 соответствующего инвертора 15, откуда получается регулирование с комбинированной стабилизацией сети и желательным распределением нагрузки.